发布日期：2025-5-9 11:15:10
在当今材料科学与工程领域，钛及其合金因其 卓越的综合性能，包括高比强度、优异的耐腐蚀 性、良好的生物相容性以及在极端环境下的稳定性 等，成为航空航天、海洋工程、生物医疗、能源以及 化工等众多高科技领域的关键材料[1]。然而，单一 的钛或钛合金在某些特定应用中仍存在性能局限， 如耐磨性、热稳定性或成本效益等方面的挑战[2]， 这促使科研人员不断探索利用复合材料技术进一 步提升钛基材料综合性能的可能。
钛基复合材料是材料科学研究的重要方向之 一。通过将陶瓷颗粒、碳纳米管、石墨烯等第二相 增强体引入钛或钛合金基体，旨在将基体材料良好 的韧性、延展性与增强体的高强度、高模量或特殊 功能特性相结合，从而实现性能的跨越式提升[3]。 这种复合材料的设计和制备，不仅突破了单一材料 的限制，也为满足未来高性能应用的需求提供新的 可能性[4]。在航空航天领域，钛基复合材料的低密 度和高强度特性，有助于减轻结构质量，同时保持 结构强度，从而提高燃料效率和飞行性能[5]。此 外，钛基复合材料在高温环境下展现出的稳定性和 抗氧化性，使其成为发动机叶片、燃烧室等高温部件的理想选择[6]。
在生物医用植入领域，钛合金因其出色的生物 相容性和耐腐蚀性，已被广泛应用于骨科植入物。 钛基复合材料进一步发展，尤其是通过加入生物活 性陶瓷，可以显著提升植入物的骨整合能力和长期 稳定性[7]。在海洋工程和化工设备等腐蚀性环境 中，通过复合陶瓷等材料，钛基复合材料的耐腐蚀 性能得到显著增强，满足了这些领域对材料耐腐蚀 性的高要求[8]。有些含有导电或磁性增强体的钛 基复合材料，因其优异的电磁屏蔽和吸收能力，在 电子设备屏蔽和军事隐身技术中展现出巨大的应 用潜力[9]。此外，钛基复合材料在热管理领域也显 示出优势。通过优化其微观结构，这些材料能够实 现高效的热传导和热扩散，适用于需要快速散热的 高性能电子设备和激光系统[10]。
近年来，随着纳米科技、粉末冶金、新型合成方 法以及材料表征技术的飞速发展，钛/钛合金复合 材料的研究取得显著进展。从增强体的选择与分 散均匀性优化，到复合材料的界面设计与控制，再 到复合材料成形加工技术的创新，每一环节的进步 都为实现材料性能的精准调控和功能集成开辟了 新途径[11]。此外，对复合材料微观结构与性能之间 关系的深入理解，以及环境友好型和成本效益高的 制备工艺的探索，也是当前研究的热点。
本文旨在全面回顾并分析钛/钛合金复合材料 的最新研究进展，探讨其在不同应用领域的优势、 存在的问题与挑战、以及未来的研究趋势。通过对 国内外相关研究成果的系统梳理，将重点概括复合 材料性能研究现状，特别是在提高材料的力学性 能、耐磨耐蚀性以及热稳定性等方面的最新成果。 同时，对先进技术制备钛基复合材料领域的现状、 复合材料加工技术的发展现状及钛基复合材料制 备及加工过程存在的问题进行归纳总结，也指出钛 基复合材料制备及加工技术在未来发展的趋势与 展望，包括但不限于增材制造技术的发展、辅助技 术的更新、表面纳米化技术、数字化仿真技术以及 二者相结合等方面，以期为该领域后续的科学研究 和 技术革新提供参考与启示。
1、钛合金及复合材料的基本特性
1.1 钛合金的物理和化学特性
钛合金作为 20 世纪 50 年代起迅速崛起的先 进结构材料，凭借其独特的物理和化学性能，在航 空航天、生物医学、化工等多个尖端领域展现出广 泛的应用潜力。物理特性方面，钛合金显著的特点 在于其非凡的力学性能：抗拉强度范围在 686～1176 MPa，极端情况下可攀升至 1764 MPa，此强度 超过了一些高强钢，且密度仅为钢的 60% 左右，约 为 4.54 g/cm3，较钢轻盈很多，密度在铝的 2 倍与镁 的 5 倍之间。此外，钛合金展现出卓越的高温耐受 力，熔点高达 1942 K，远超黄金近 1000 K，较 Fe 亦 高出近 500 K，其中 TC21 钛合金能在 500 ℃ 以下 环境持续工作，表现出优良的热稳定性。尽管其硬 度高，加工难度大，氮化钛硬化处理能有效增强其 耐磨性与硬度。低弹性模量赋予了钛合金良好的 柔韧性，在特定应用中优势明显。化学特性上，钛 合金表现活跃，尤其在常温条件下与氧气快速形成 一层致密、结合力强且高度稳定的氧化膜，有效防 护本体免受腐蚀侵害。这一特性加之其广泛的耐 腐蚀能力，即使是面对多种酸碱介质及盐类侵蚀， 钛 合金依然能保持良好的稳定状态。
1.2 复合材料性能的研究
钛基复合材料（titanium matrix composites，TMCs） 通过集成基体钛合金的高强塑性与增强体的高模 量特性，超越了单一钛合金的性能界限。与传统钛 合金相比，TMCs 不仅展现出卓越的强度与塑性， 还兼具显著的耐磨性能。通过结合钛合金本体优 异的延展性与增强相的高硬度与抗磨损性能，成就 了一种新型材料体系，不仅在强度与韧性上有所增进，更是在耐磨性方面体现出明显优势[12-13]。因 此，增强相是影响复合材料性能的主要因素。现有研究中的增强相主要包含：SiC、Al2O3、TiC、石墨 烯、碳纳米管和 TiB 等[14]。
由于应用环境的限制，针对复合材料的研究以 力学性能和耐磨性能为主。在钛基材料中引入增 强相，不仅是由于增强相自身优异的性能，更主要 的是外来相细晶强化和弥散强化作用是提升材料 力学性能基础。Pan 等[15] 使用纳米超细 TiB 晶作 为增强相，采用选取激光熔化技术（SLM 技术）制备的钛 基复合材料抗拉强度为 851 MPa，伸长率为 10.2%。 基于 Ti 和 BN 原位反应，该过程生产的纳米 TiB晶叠加 α 钛得到的复合材料硬度达 10.4 GPa，弹性 模量达165 GPa，性能同比分别提升304% 和170%[16]。图 1 为钦兰云等在 TC4 粉末中加入不同质量分数 的 TiB2 粉末后材料的微观组织和 α 片层尺寸分析 结果[17]。由图可见，随着增强相质量分数的增加， 复合材料中晶粒细化、α 片层尺寸明显减小。同 时，随着增强相添加量的增加，增强相出现成簇和 联结生长的现象，抗拉强度、显微硬度和屈服强度 均明显提升。
Xiong 等[18] 在 TA15 钛合金中引入 0.5%～2.0%的 Ti3AlC2 质量分数，下同）增强相改善合金性能， 结果表明经 LEBM 处理后形成 Ti3AlC2/TiC 增强相 三维网络，1.0%Ti3AlC2/TA15 复合材料的拉伸屈服 强度达 958 MPa、伸长率为 8.56%、显微硬度达369.7HV、压缩屈服强度为 1271 MPa，展现出优异 的力学性能与耐磨性。Markovsky 等[19] 使用氢化 钛的混合元素粉末冶金技术制备了 TiC 颗粒增强 的 Ti-6Al-4V 金属基复合材料。TiC 与基体发生化 学反应，形成牢固的界面结合，并且能够形成TiC 和 TiAlC 的硬质化合物，使复合材料的硬度提 高 40% 以上。王振玲等[20] 利用真空感应悬浮熔炼 炉制备了（TiC+TiB）/ Ti-6Al-4Sn-8Zr-0.8Mo-1.5Nb1W-0.25Si复合材料，增强体占比分别为 0%、2%、4%（体积比）。复合材料中随着增强体数量增加，α-Ti 长径比显著减小，β-Ti 晶粒细化。在 650～700 ℃ 范围内钛基复合材料强度显著提高，2% 增强体复 合材料在 650 ℃ 强化效果最优，4% 增强体复合材 料在700℃ 强化效果最优。当温度超过 700 ℃ 后， 增强体强化效果减弱，复合材料塑性总体较低。
Wei 等[21] 按照石墨烯与碳纳米管 5∶1 的比 例，采用热压烧结法制备的钛基复合材料强度和硬 度分别达 1387.1 MPa 和 771.5HV，相对纯钛基体性 能分别提升 745 MPa 和 150%。Hu[22] 和 Liu[23] 对 引入氧化石墨烯的钛基复合材料的性能研究发现， 复合材料的杨氏模量、维氏硬度和屈服强度较基体 均有不同程度的提升，但是过量的氧化石墨烯则导 致屈服强度降低。神祥博[24] 对制备 TiB/Ti 复合材 料研究发现，随着增强相含量提升，复合材料的硬 度不断增大，但是抗拉强度呈现出先增后减的变化 趋势，同时随着烧结温度的提升，伸长率亦呈现下 降趋势。不难发现，虽然增强相可以有效提升复合 材料的硬度与强度，但是可能会导致塑性不合的问 题产生。因此，如何有效维持新材料的强度和韧性 平衡是设计材料的新思路。Huang 等[25] 通过控制 增强相的分布同步提升了钛基复合材料的强度和 韧性。图 2[26] 为复合材料增强相分布控制示意 图。图中存在增强相富集区和贫瘠区，其中增强相 富集区阻碍位错运动的发生，进一步提高强度，而 贫瘠区则为位错的运动和增殖提供足够的空间，从 而增强韧性。另外，也有部分研究认为不同种类的 增强相结合更易平衡钛基复合材料的强度和韧性[27]。
钟亮等[2] 对钛基复合材料耐磨性研究进展进 行了较为完整的综述，主要包含复合材料耐磨性表 征方法和摩擦磨损行为，同时也阐述了高耐磨复合 材料的设计和表面耐磨改性技术的相关内容。一 般认为，复合材料的自身耐磨性与其表面所受的剪 切力相关，在载荷相同的条件下，表面剪切力与摩 擦 因 数 呈 正 相 关 。 Cai 等[28] 以 TiB 为 增 强 相 、TC4 为基体形成的复合材料摩擦因数随着 TiB 含 量的增加而降低，当加入增强相为 8%TiB（质量分 数 ） 时 ， 复 合 材 料 的 摩 擦 因 数 相 对 基 体 下 降33.8%。Zhang 等[29] 将 Ti3AlC 与 TA15 复合后，在200 r/min 转速和 15N 载荷的条件下，复合材料的 磨损率为 3.98×10–7 mm3/（N.m），相对基体磨损率 降低了 20%。图 3 为 Bai 等[30] 制备出 TiC/TC4 多 孔蜂窝状复合材料，蜂窝主要是由于 TiC 相包裹 Ti64基体形成，TiC 界面处的纳米硬度为 12.4 GPa，磨 损率较基体降低 28%。Gürbüz 等[31] 采用 0.15% 的 石墨烯复合制备钛基复合材料，在 10 N 载荷下磨 损速率为 2.86×10–5 mm3/（N.m），磨损量较小。
除了提升复合材料自身的耐磨性，通过表面处 理技术优化 TMCs 的耐磨性能也被广泛研究[32]。 黄雪丽等[33] 运用电弧离子镀膜工艺，在钛合金外 表制备了一层 TiN/CrN 纳米多层薄膜，其硬度达 到 24 GPa，且该纳米多层薄膜与基底的黏合强度极 为牢固。同时以 Al2O3 为研磨球进行平板摩擦磨 损测试时，观察到 TiN/CrN 薄膜的磨损量仅为3.44×10–7 mm3/（N.m）。刘元才等[34] 采用微弧氧 化技术对 TB8 进行表面改性处理，其耐磨性随着电 解液中 BN 含量增加而提升。目前，在耐磨 TMCs的成型制备方面，增材制造技术和先进喷射成型技 术已进入广大研究者的视野，激光熔覆沉积技术即 是最先进的技术之一[3]。现阶段，无论是提高钛基 复合材料的耐磨性还是对其表面改性处理，多数研 究都集中在室温耐磨性能上，而随着钛基复合材料 大量应用到航空航天和基地航海领域，极限温度下 钛基复合材料的耐磨性、耐蚀性和力学性能是未来 主要关注的方向之一。
随着钛合金材料在航空发动机方面的应用，必 须考虑其零部件存在钛火风险[35]，这就要求钛合金 材料热强性和热稳定性相互匹配。为了满足600 ℃ 以上钛合金材料的性能要求，在钛基体中引 入增强相，使得复合材料硬度、屈服强度和抗拉强 度显著增强。为了满足高温钛合金所需的热稳定 性，国内主要通过添加稀土元素的方法来提升材料 的热稳定性，其原理为：稀土元素与合金中 S 等反 应，其反应产物在晶界析出，该产物还与合金中的 氧反应，二次反应产物稀土氧化物可细化晶粒，不 仅可以净化基体，抑制位错产生，还能提升材料的 热稳定性[36]。通过向 Ti600 与钛基复合材料中添 加稀土 Y，丁超等[37] 发现合金和钛基复合材料的 热稳定性均提高。钛基复合材材料热稳定性研究 较少，面对钛基复合材料在航空领域进一步推广， 使用增材制造技术促进稀土元素对复合材料热稳 定性影响研究是改善钛基复合材料综合力学性能 的方向。
2、先进技术在钛基复合材料中的应用
2.1 粉末冶金技术
粉末冶金技术作为一种高效、灵活的材料制备 方法，在钛基复合材料的制备中扮演着至关重要的 角色。该技术通过精确控制粉末的混合、成形和烧 结过程，不仅实现了增强体与钛基体的均匀分散， 还显著提升了材料的力学性能和高温稳定性。
在钛基复合材料微观结构、力学性能和强度提 升方面，专家学者不仅探索了多种类型的增强体， 包括碳化物、硼化物、硅化物等陶瓷颗粒，并调整 增强体的粒径、形态和含量，以提高材料的高温性 能和强度[2]，而且通过界面工程的策略，如控制烧结气氛和添加中间相，显著提升了增强体与钛基体 之间的界面结合强度[38]。此外，采用放电等离子烧 结（SPS）、机械合金化（MA）等创新工艺，能进一步 提高材料的致密化程度和增强体的均匀分散。
近年来研究表明，粉末冶金技术在钛基复合材 料的制备中不断取得突破。黄陆军等[39] 采用粉末 冶金技术成功制备具有网状结构的钛基复合材料， 显著提高材料在 600～800 ℃ 高温下的强度、抗氧 化和抗蠕变性能。此外，北京科技大学新材料技术 研究院在颗粒增强钛基复合材料的制备工艺及力 学性能方面也取得了显著成果，通过优化粉末冶金 工艺，实现了复合材料性能的进一步提升[40]。尽管 粉末冶金技术在钛基复合材料的制备中展现出巨 大的优势和潜力，但仍面临一些挑战和问题。例 如，增强体与钛基体之间的界面反应控制、成本效 益分析以及环境友好型发展等方面仍需进一步研 究 和改进。
2.2 增材制造技术
3D打印技术 ， 又称为增材制造 （additive manufacturing，AM），是一种从无到有、依据分层累 加原理的现代制造方法。此技术依托诸如激光、电 子束及电弧放电等能量传递手段[41]，选用包括金 属、陶瓷材料、聚合物以及新型工程材料在内的广 泛原料，通过材料的热熔化及逐层叠加，高效构建 实体结构。增材制造技术的一大革新点在于，其无 需依赖传统模具，能够自由塑造高度复杂的结构， 提供广阔的设计空间与提升材料的使用效率，正积 极推动航空航天工业制造领域的变革趋势[42]。
增材制造技术依据热源类型大致分为 3 类：激 光增材制造（LAM）[43]、电子束增材制造（EBAM）[44]和电弧增材制造（WAAM）[45]。与电子束增材制造 相比，激光增材制造不需要真空环境，并且在包层、 修复、再生和添加剂制造方面具有广泛的适用性[46]。 与电弧增材制造相比，激光增材制造具有高定位精 度和高分辨率的优势[47]。因此，其成为一种很有前 途和流行的增材制造技术，用于生产包括 TMCs 在 内的金属基复合材料。激光增材制造（LAM）分为 激 光 熔 融 沉 积 法 （LMD） 和 选 区 激 光 熔 化 法 （SLM）。采用增材制造方法生产钛基复合材料，其 性能均与增强相的种类、增材制造工艺参数和粉末 参数有关。Liu 等[48] 利用波长为 1064 nm 的连续 波光纤激光器，揭示激光熔融沉积中激光功率对10% 体积分数的 TiC 和 TC4 复合材料显微结构的 影响，见图 4。结果表明，优化后的激光功率可以 有效避免树突状 TiC 和缺陷的形成。在探索最低 能量密度条件下，提高粉末进料速率，以增加层 高。Liu 等[49] 通过激光熔融沉积制备体积分数5%～15%TiC 的 TiC/TA15 复合材料。结果表明，5% TiC 的抗拉强度最高，而 10% 和 15% TiC 降低 了复合材料的抗拉性能，甚至比 TA15 基体更差。
Zhou 等[50] 和 Zhao 等[51] 对 SLM 制备的钛/钛 复合材料和纯钛进行比较实验以评价它们的耐腐 蚀性能。氮化钛作为微阴极加速阳极反应，Ti 消耗 有助于维持钝化状态。因此，TiN/Ti 复合材料的腐 蚀电流密度随腐蚀潜力的降低速率要快于纯 Ti，见图 5[50]。随着二氧化钛薄膜和不溶性产物的积累， 它们将基质从溶液中分离出来，从而抑制了钛基质 的进一步溶解，最终在一定程度上减缓了腐蚀过 程。Li 等[52] 采用 SLM 制备（TiB + TiN）/Ti 复合 材料，研究发现纳米 TiB 棒和纳米氮化钛颗粒被沉 淀并团聚形成团簇。与（TiB + TiC）杂化增强体一 样，这些纳米（TiB +氮化钛）沉淀物促进了 Ti 晶粒的 细化，并通过分散强化增强了复合材料的力学性能。
虽然利用LAM技术制造TMCs在技术改进、 参 数 控 制 和 优 化 方 面 进 行 了 丰 富 的 研 究 ， 但LAM 引入的一些内在问题也成为限制材料进一步 改进和增强的瓶颈。在 LAM 过程中，由于熔池中 的高温/应力梯度、对流、低熔点元素的蒸发、梯度 表面张力[53-54] 等复杂因素，很容易诱发孔隙、裂纹 和不可控的微观结构。另外，热处理、超声处理和 电磁处理等已被证实可有效改善这些问题。同时， 模拟研究可以为推进这一领域的探索提供指导，帮 助人们更深入地了解复杂的多尺度热力学演化的 行为[4]。未来的研究方向包括开发新的增材制造 技术、优化工艺参数、提高材料的综合性能，并解 决现有的技术难题[55] 。
2.3 表面纳米化技术与数字化仿真技术的结合
表面纳米化技术通过在材料表面形成纳米尺 度的微观结构，可以显著提高材料的综合性能。研 究表明钛及钛合金的表面自纳米化可以赋予其优 异的强度 、硬度 、耐磨性以及耐蚀性和疲劳性 能[56]。此外，表面纳米化还可以通过细化晶粒、促 进薄膜形核等方式显著提高材料的力学性能[57]。
数字化仿真技术通过计算机模拟和数值分析， 可以预测和优化材料的微观结构和性能。例如，利用ProDesign 等软件进行多晶体材料和复合材料的 数字化仿真与数值化模拟，可以实现对材料微观组 织结构的精确控制[58]。这种技术不仅可以优化材料的设计，还可以指导实验工艺，提高材料性能的可控性和可靠性。
将表面纳米化技术与数字化仿真技术结合可 以进一步提升钛基复合材料的性能。通过数字化 仿真技术，可以在设计阶段预测和优化表面纳米化后的材料性能，从而在实验中更有效地制备出具有 高强度、高耐磨性和优异耐蚀性的钛基复合材料[59]。 此外，数字化仿真还可以帮助研究者理解材料的界 面反应、界面结构和微观构型等关键因素对材料性 能的影响规律[60]。
在实际应用中，表面纳米化技术和数字化仿真 技术的结合可以为钛基复合材料在航空航天、国防 工业、交通运输等领域提供更高的性能保障。石墨烯增强钛基复合材料由于其高比强度、低密度和优 异的耐蚀性，被广泛应用于这些领域[38]。通过数字 化仿真技术，可以进一步优化这些材料的设计和制 备工艺，确保其在实际应用中的性能达到预期目 标[61]。表面纳米化技术和数字化仿真技术在钛基 复合材料方面的研究不仅可以显著提高材料的综 合性能，还可以通过精确的设计和优化，推动钛基 复合材料在各个领域的应用前景。
2.4 颗粒增强钛基复合材料的加工技术
颗粒增强钛基复合材料作为一种重要的战略 性结构材料，因其高比强度、轻量化、耐热稳定性 以及耐磨蠕变性能而在航空航天、空间技术和军事 装备等高科技领域展现出广阔的应用前景。然而， 其固有的加工难度大、室温塑性差等特性对实现高 精度加工提出了挑战。韩远飞等[62] 综述了颗粒增 强钛基复合材料的传统热加工与特殊加工技术进展，特别是热加工、置氢加工、超塑性加工、激光制造等的机制与性能，展望了材料加工技术的发展趋势。
传统热加工，如锻造、挤压、轧制等是基本方式，但需严格控制参数以适应窄窗口和增强体影 响。吕维洁等[63]发现锻造使得（TiB+TiC/Ti10）复合材料晶粒细化和性能提升，并且使得复合材料的 伸长率翻番。热挤压同样重要，如Wei 等[64] 采用 累积叠轧加工 TiBw/Ti6A4 V 复合材料，使得其伸 长率显著提升。王敏等[65]对连续 SiC 纤维增强钛 基复合材料实施大塑性变形加工，使其组织发生动 态再结晶。
在特殊加工领域，增材制造和超塑性变形是两 种重要的技术[66]。韩远飞等[62] 强调了 TiBw/ Ti6V的超塑性变形、热图以及动态再结晶机制。这些技 术通过细化晶粒和提高材料的强韧性，从而改善材 料的整体性能。置氢加工则是一种通过氢掺入钛合金中以改善其加工性和增材性能的方法。黄浩[67]讨论了氢辅助热变形的效果，指出这种方法可以细 化柱状晶并降低变形抗力，从而改善切削加工性。 此外，超声波检测技术也在复合材料质量保证中发 挥着重要作用，该技术可以分为反射法和穿透法， 能够有效检测复合材料中的缺陷和质量问题。其 他技术如水射流、电火花等[68] 虽然存在局限，但仍 需关注，因为它们在某些特定应用场景中可能具有 独特的优势。
等温变形技术也在材料加工中得到广泛应 用。此外，文献中还研究了等温变形 TiBw/Ti4V，进 一步细化晶粒并提高材料的性能。吕维洁[63] 通过 热图技术分析了 TiB+Ti-10 的热加工过程，并指导 工艺参数的优化，这对于提高材料加工效率和最终 性能至关重要。未来，提高材料利用率、降低能 耗、多工艺结合、发展近净成形技术、深入分析加 工技术、创新塑性变形工艺等是重点考虑的方向[62] 。
3、现存问题与挑战
3.1 钛基复合材料在高温、高压环境下的稳定性问题
钛基复合材料在高温条件下表现出优异的性 能，包括高比强度、高比模量、抗蠕变性能和热稳 定性等。采用 TiB+La2O3 增强的钛基复合材料在 高温下具有良好的力学性能和耐腐蚀性[69]。然而， 当温度超过 700 ℃ 时，增强体的强化效果会减弱， 导致材料的塑性总体较低[20]。钛基复合材料中增 强体的分布均匀性和与基体的结合良好程度对材 料的高温性能有显著影响。相关研究表明，原位自 身合成的增强体能够实现这些要求，从而提高材料 的整体性能[69]。此外，多尺度不连续增强钛基复合 材料通过不同尺度下的协同增强机制，产生了具有 高强度、良好的延展性和高温耐久性的轻质材料[70]。
钛基复合材料的制备方法对其高温性能也有 重要影响。增材制造技术（3D 印）可以通过快速 凝固使颗粒增强钛基复合材料中晶粒细化，从而提 升力学性能[4,71]。这种技术为基于成分调控与结构 设计的高性能钛基复合材料的开发带来了机遇[71]。 尽管钛基复合材料在高温下表现出色，但仍存在一 些局限性。高楚寒等[4] 认为，钛合金的使用温度普 遍局限于 600 ℃ 左右，超过这个温度范围，合金的 耐热性会降低，热强性与热稳定性难以匹配协调， 导致抗氧化性和疲劳性能下降。这表明在设计和 应用钛基复合材料时，需要考虑其在极端高温环境 下的稳定性。
未来的研究应着重于进一步提高钛基复合材料的高温性能，解决其在高温、高压环境下的稳定 性问题。这包括优化增强体的分布和与基体的结 合方式、改进制备工艺、以及开发新的增强相和复 合体系[14]。钛基复合材料在高温、高压环境下的 稳定性问题需要综合考虑材料的微观结构、增强体 的作用、制备方法以及高温下的局限性等多个因 素。通过不断优化这些方面，有望显著提高钛基复 合材料在极端环境下的应用潜力。
3.2 复合材料界面黏结强度的提升需求
钛基复合材料界面黏结强度的提升需求主要 源于其在航空航天、汽车工业和其他高要求领域的 广泛应用。这些应用对材料的力学性能提出了更 高的要求，尤其是在极端环境下的稳定性和耐久 性。从现有的研究来看，钛基复合材料的界面黏结 强度直接影响到材料的整体性能。诸如，SiC 纤维 增强钛基复合材料（SiCf/Ti）因其高比强度和高比 模量而被广泛用于航空航天领域，但其横向性能较 差，这与界面黏结强度有直接关系[72]。原位自生法 制备的 TiC 颗粒增强钛基复合材料，其增强相分布 均匀，界面黏结良好，这表明通过优化界面微观结 构可以显著提高界面黏结强度[73]。
此外，纳米碳和 TiB 等新型增强相的引入为提 高界面黏结强度提供了新的途径。纳米碳强化钛 基复合材料通过优化界面结构和性能，取得了一系 列研究进展[74]。同样，TiB 增强钛基复合材料的第 一性原理研究也表明，通过控制界面结合的强度和 性质可以有效提升材料的宏观力学性能[75]。然而， 不同的增强相在与钛基体的结合过程中可能会出 现化学反应或相互作用，这些因素都会影响界面的 黏结效果。
激光增材制造技术也为提高界面黏结强度提 供了新的可能性。通过精确控制激光烧结过程中 的界面连接机理，可以显著提高 WCp 钛基复合材 料的界面黏结强[76]。此外 ，微波烧结原位合成TiC 增强钛基复合材料显示，原位生成的 TiC 增强 相分布均匀，且界面黏结良好，这是制备不连续TiC 增强钛基复合材料的一种经济有效方法[77]。 另外，粉末冶金法、真空压力浸渍法、机械合金法 以及原位自生法等制备技术也各有优劣，选择合适 的制备技术是提高界面黏结强度的关键。
总之，钛基复合材料界面黏结强度的提升需求 主要源于其在高要求领域的应用需求。通过采用 先进的增强相、优化制备工艺和改善界面结构，可 以显著提高材料的界面黏结强度，从而提升其整体 力学性能和应用前景。
3.3 高精度、高质量加工技术的难题
钛基复合材料的变形难度较大，强度高，这使 得传统的切削加工方法难以实现高精度和高质量 的加工结果[62]。传统的机械加工方法在处理超硬 陶瓷颗粒、晶须和纤维增强相时，往往会导致加工 过程中的不平稳和表面质量差[78]。
为了解决这些问题，研究者们探索了多种先进 加工技术。其中包括复合能场加工、锻造加工和增 材制造等方法[66]。例如，激光 3D 打印技术通过原 位反应减少裂纹的产生，同时平衡了传统加工过程 中强度与伸长率难以兼顾的问题。此外，碳包覆钛 复合粉体的应用也为 3D 打印领域提供了新的研究 思路和技术支持[79]。
尽管如此，当前的研究仍然存在一些主要问 题。高速磨削加工性研究表明，陶瓷 CBN 砂轮与 电镀 CBN 砂轮在高速磨削过程中，磨削力与力比、 磨削温度与热分配等方面仍需进一步优化[80]。此 外，增材制造技术虽然在提高材料的力学性能方面 取得了一定进展，但其认证过程中的设计、材料、 工艺和检测等环节仍需严格控制，以确保零件的质 量[81]。
总之，钛基复合材料的高精度、高质量加工技 术尚需进一步研究和优化。未来的研究方向可以 包括：1）探索更高效的切削加工方法；2）优化复合 能场加工、锻造加工和增材制造等先进加工技术；3）加强对高速磨削加工性的研究；4）严格控制增材 制造过程中的各个环节，以确保零件的高质量[66,80-81] 。
4、未来发展趋势与展望
4.1 增材制造技术在钛基复合材料中的进一步应用
随着增材制造（AM）技术工业化进程的推进， 材料-工艺-结构-性能/功能的相互关系和集成将得 到了越来越多的重视。在用激光增材制造（LAM） 技术制备钛基复合材料的过程中，诸如钛碳化物、 钛硼化物和钛氮化物等陶瓷材料将越来越会受到 青睐[82-86]。一方面，这些陶瓷材料因其高模量、高 硬度以及与钛合金的良好兼容性，能够显著增强和 硬化钛材料，有望拓宽高性能 TMCs 的应用场景； 另一方面，LAM 技术以其高能量密度、高效、灵活 性和低材料浪费等优势，为耐火陶瓷增强复合材料 的生产提供了有效途径。这也将加速先进 LAM 技 术的发展。
考虑到传统方法如大型炉设备、充足的加工时 间和精确的工艺控制会增加研发和生产成本，因此 迫切需要一种更高效且简单的方法来调和 TMCs的综合力学性能。已有多种先进的辅助工艺成功 应用于原位合成 TMCs 或 LAM 制造的钛合金，如 超声波处理（超声振动、超声冲击、超声滚压等）、 表面处理（喷丸、激光冲击强化、超声喷丸等）、电 脉冲处理等[87-93]。目前，针对 LAM 制备 TMCs 采 用这些处理技术的研究较少。未来，尝试结合这些 领域可能会有助于发现有效方法，突破 LAM 制备TMCs 面临的挑战。
另外，不同的辅助工艺可潜在地引入到 TMCs的 LAM 制造中，为调整它们的微观结构和力学性 能带来更多机会。各种技术的结合意味着必须全 面考虑多物理场耦合的复杂问题，包括热场、声 场、磁场和形变场等[93]。对于 TMCs 而言，基体和 增强材料各自相演变行为及强化/增韧机制的深入 研究将进一步扩大研究范围。随着各种模拟理念、 方法论和计算工具的发展，这些深层机制和科学问 题将得到更好的阐明。
4.2 表面纳米化技术与数字化仿真技术的深入研究
随着科技进步和材料科学的飞速发展，钛基复 合材料（TMCs）作为高性能材料的代表，其表面纳 米化技术与数字化仿真技术的结合正成为推动领 域革新与突破的关键力量。在未来趋势中，表面纳 米化技术通过精确调控材料表面的纳米结构，不仅 能够显著增强 TMCs 的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀 性，还能通过引入生物活性涂层等策略优化其生物 相容性，为医疗器械和植入物应用开拓新的可能 性。此外，纳米结构的可控设计还能促进特殊功能 性表面的定制，如自清洁或增强与其他材料的界面 结合力，进一步拓宽 TMCs 的应用场景[59]。
与此同时，数字化仿真技术，特别是多尺度模 拟和人工智能算法的融入，为 TMCs 的设计、制造 与性能预测提供了前所未有的精确度和效率。通 过构建“过程-结构-性能”之间的内在联系模型， 仿真技术能够优化 LAM（激光添加剂制造）工艺参 数，预测热物理行为，减少缺陷形成，从而在制造前 就可确保材料的高品质。此外，智能化仿真平台的 持续发展将使材料设计更加灵活，加速新材料的探 索与验证，为 TMCs 的性能优化和新型复合体系开 发提供强有力支持[94]。
总之，表面纳米化技术与数字化仿真技术的协 同演进，预示着钛基复合材料领域将迎来一个融合 高效制造、精准设计与性能优化的新时代。未来研 究将侧重于两者的深度整合，旨在实现材料性能的 极限提升，缩短研发周期，以及推动面向航空航天、 生物医疗等高精尖领域的定制化解决方案，开启TMCs 创新应用的新篇章。
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收稿日期：2024-06-07；录用日期：2024-12-26通讯作者：杨宝（1991—），男，博士，工程师，研究方向为新 材料研发、炼钢过程工艺优化和连铸坯质量控制等，联系地 址：陕西省汉中市勉县定军山镇陕钢集团汉中钢铁有限责任 公司（724207），E-mail：ybvip1991@163.com
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